樸卉琳
延邊大學(xué)
眾所周知, 全球供應(yīng)鏈的重構(gòu)與碳中和已經(jīng)成為全球矚目的兩大議題,上述焦點(diǎn)問(wèn)題在一定程度上也有所重疊。 碳中和問(wèn)題既是環(huán)境問(wèn)題,也是特定國(guó)家核心產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力問(wèn)題,正在迅速成為影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)存亡的核心議題。歐盟在強(qiáng)力推進(jìn)綠色發(fā)展戰(zhàn)略的同時(shí),正在引領(lǐng)全球CO2減排問(wèn)題。在美國(guó),盡管特朗普政府曾對(duì)環(huán)境問(wèn)題持消極態(tài)度,而新上臺(tái)的拜登政府正在推行重返巴黎協(xié)定等碳中和政策。特別是第26 屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)(COP26)已經(jīng)在英國(guó)格拉斯哥(2021 年10 月31 日-11月12日)舉行[1]。
針對(duì)鋼鐵等碳減排困難行業(yè),制定了“突破性議程”。 特別是在鋼鐵領(lǐng)域,將重點(diǎn)放在技術(shù)創(chuàng)新、采購(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)投資、橫向?qū)Σ呱?調(diào)整多種國(guó)際倡議的聯(lián)系,促進(jìn)國(guó)際合作。另外,在G7、G20 等首腦會(huì)談上,碳中和問(wèn)題也成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)這種全球碳中和大趨勢(shì)(見(jiàn)圖1),世界各國(guó)正在加快制訂長(zhǎng)期的碳中和戰(zhàn)略和路線圖。
圖1 主要國(guó)家和地區(qū)的碳中和目標(biāo)和趨勢(shì)
2020 年韓國(guó)政府也曾發(fā)布《2050 年碳中和愿景》,聯(lián)合各產(chǎn)業(yè)、各部門開(kāi)展產(chǎn)、學(xué)、官合作,為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),制定愿景和路線圖等對(duì)策。2021年12月還發(fā)表了《產(chǎn)業(yè)、能源碳中和大轉(zhuǎn)變?cè)妇昂蛻?zhàn)略(2021 年12 月10 日)》。特別是鋼鐵產(chǎn)業(yè),在工業(yè)領(lǐng)域不僅碳排放量最大,而且很難開(kāi)發(fā)出CO2減排的全新煉鐵工藝。以POSCO 控股集團(tuán)為代表,盡管韓國(guó)在鋼鐵生產(chǎn)效率方面具有世界領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)力。不過(guò),考慮到鋼鐵產(chǎn)業(yè)自身的特點(diǎn),同樣也是最難實(shí)現(xiàn)碳中和的領(lǐng)域。
目前,世界鋼鐵產(chǎn)量的一半以上由中國(guó)生產(chǎn)。20 世紀(jì)90 年代,日本粗鋼產(chǎn)量一直保持世界最高水平,但到了2020年,世界排名前10位的鋼鐵企業(yè)中,除安賽樂(lè)米塔爾(第2 位)、日本制鐵(第5 位)、POSCO(第6 位)以外,中國(guó)企業(yè)就占到了7 家,但日本鋼鐵產(chǎn)業(yè)在高級(jí)鋼種等質(zhì)量方面不僅具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力,而且在煉鐵生產(chǎn)中的單位碳排放量也是最低的[2]。另外,日本鋼鐵產(chǎn)業(yè)從很早開(kāi)始就著手開(kāi)發(fā)碳減排的新一代煉鐵工藝,而且在政府的綜合支持政策和產(chǎn)、學(xué)、官合作體系等方面,已經(jīng)成為了業(yè)界的標(biāo)桿。
1)CO2排放巨大的鋼鐵產(chǎn)業(yè)在工業(yè)領(lǐng)域所占的比重最大
2019 年,韓國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量約為1.17億t,占行業(yè)排放總量的17%,占工業(yè)排放總量的30%。2019年,日本鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量約為1.54億t,占行業(yè)排放總量的14%,占工業(yè)排放總量的42%(見(jiàn)圖2)。
圖2 日本各部門CO2排放量比重(2019年)
雖然存在統(tǒng)計(jì)差異,但日本鋼鐵產(chǎn)業(yè)也是CO2排放最大的工業(yè)領(lǐng)域,這一點(diǎn)與韓國(guó)相似。不過(guò),在工業(yè)領(lǐng)域CO2排放量的比重方面,反而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于韓國(guó)。
2)在現(xiàn)有的高爐工藝下,鋼鐵生產(chǎn)必然會(huì)排放碳(見(jiàn)圖3)
圖3 鋼鐵生產(chǎn)工藝
這是因?yàn)闊熋哼€原鐵礦石(Fe2O3)在生產(chǎn)鐵水的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2[3],每生產(chǎn)1 t 粗鋼,約排放CO22 t。由此可見(jiàn),鋼鐵產(chǎn)業(yè)的CO2排放量與粗鋼產(chǎn)量成正比。也就是說(shuō),改進(jìn)現(xiàn)有高爐煉鐵工藝需要更高的技術(shù)水平,特別是作為一種沒(méi)有雜質(zhì)、質(zhì)量?jī)?yōu)秀、經(jīng)濟(jì)的方法,以及煙煤作為還原劑使用的工藝特性,很難顯著減少CO2排放。
3)鋼鐵企業(yè)技改需龐大的資金和時(shí)間
為了實(shí)現(xiàn)碳中和,鋼鐵業(yè)界必須進(jìn)行CO2減排,但是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),煉鐵工藝開(kāi)發(fā)需要攻克的技術(shù)難關(guān)也很多,需要龐大的資金和時(shí)間。一旦全世界約70%(10.9 億t)的高爐將退役,今后還需要龐大的設(shè)備投資。因此,為了減少CO2排放或零排放,全球主要鋼鐵企業(yè)正在開(kāi)發(fā)氫還原煉鐵等全新工藝[4],但現(xiàn)階段還不能確定成功的可能性和時(shí)機(jī)。例如,在煉鐵工藝中,高爐技術(shù)包括尾氣回收(iACRES)、氧氣高爐(Oxygen BF)、氫利用還原(COURSE50)等。直接還原煉鐵技術(shù)包括熔融還原(FINEX,Hlsama)、直接還原鐵(DRI)、氫還原煉鐵法(H2DRI)等[5-6]。
4)對(duì)下游產(chǎn)業(yè)影響大
除了相關(guān)產(chǎn)業(yè),鋼鐵產(chǎn)業(yè)對(duì)汽車、家電、造船等下游產(chǎn)業(yè)的維持和發(fā)展也有重大影響,從這一點(diǎn)來(lái)看,鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳中和對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義重大。
5)鋼鐵產(chǎn)業(yè)能耗巨大
高爐-轉(zhuǎn)爐工藝鋼鐵生產(chǎn)消耗煤炭的比重高達(dá)89%,CO2排放不可避免,而電弧爐生產(chǎn)耗電比重占81%(見(jiàn)圖4),從廉價(jià)、碳排放小的電力來(lái)源獲得電力顯得尤為重要,這就是新再生能源或氫氣等清潔能源發(fā)電及煉鐵備受關(guān)注的原因。
圖4 鋼鐵生產(chǎn)工藝能耗特點(diǎn)
2021年6月,日本政府制定了綠色發(fā)展戰(zhàn)略,大致分為能源相關(guān)領(lǐng)域、運(yùn)輸/制造領(lǐng)域、家庭/辦公室領(lǐng)域,同時(shí)發(fā)表了碳中和課題和對(duì)策的實(shí)施計(jì)劃和橫向支持政策(見(jiàn)表1)。能源產(chǎn)業(yè)以海上風(fēng)力、燃料/氨、氫氣(氫還原煉鐵等)、核能為對(duì)象。運(yùn)輸/制造產(chǎn)業(yè)以汽車/蓄電池、半導(dǎo)體/信息通信、船舶、物流/土木基礎(chǔ)設(shè)施、食品/農(nóng)林水產(chǎn)、飛機(jī)、碳循環(huán)為對(duì)象。家庭/辦公室產(chǎn)業(yè)以住宅建筑/新一代太陽(yáng)能、資源循環(huán)、生活方式為對(duì)象。為了實(shí)現(xiàn)2050 年碳中和目標(biāo), 日本政府已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到鋼鐵碳中和是最迫切的課題。不過(guò),在該戰(zhàn)略中,并沒(méi)有將鋼鐵指定為獨(dú)立的CO2減排對(duì)象,而是在氫氣領(lǐng)域的氫氣還原煉鐵、運(yùn)輸、能源等內(nèi)容間接涉及鋼鐵[7]。
表1 日本為實(shí)現(xiàn)碳中和而采取的綠色發(fā)展戰(zhàn)略橫向政策手段
截至2020 年底,日本共有日本制鐵、JFE 控股、神戶制鋼等3 家高爐鋼鐵企業(yè)。從鋼鐵總產(chǎn)能來(lái)看,高爐8 300 萬(wàn)t,電弧爐3 700 萬(wàn)t,未來(lái)向零碳排放鋼鐵生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)型迫在眉睫。在高爐中,借助氫氣代替焦炭,可以大幅削減CO2排放。不過(guò),由于高爐在結(jié)構(gòu)上需要使用最低限度的焦炭,因此,CCUS(碳捕集、利用和儲(chǔ)存) 技術(shù)是必不可少的。目前,為了大幅減少鋼鐵產(chǎn)業(yè)的CO2排放,通過(guò)關(guān)停老舊高爐來(lái)減少鋼鐵生產(chǎn)就是最容易的方法。日本制鐵從CO2減排的角度出發(fā),正式宣布2022年關(guān)停和歌山制鐵所的1 座高爐,2023 年全面關(guān)停吳制鐵所。
另外,為了克服高爐方式在CO2減排上的局限,日本鋼鐵業(yè)界正在關(guān)注電弧爐。使用廢鋼作為原料,借助新再生能源供電的電弧爐(EAF)是一種鋼鐵循環(huán)工藝。只要提供環(huán)保電力,就可以完全減少CO2排放,而且技術(shù)已經(jīng)成熟, 相比新一代技術(shù),在成本(費(fèi)用)方面也更具競(jìng)爭(zhēng)力,但前提是廢鋼的穩(wěn)定供應(yīng)和廉價(jià)豐富的綠色電力(如可再生能源等)的供應(yīng)。主要國(guó)家電弧爐在粗鋼生產(chǎn)中的比重見(jiàn)圖5。
目前,作為鋼鐵產(chǎn)業(yè)的脫碳對(duì)策,氫直接還原-電弧爐工藝在全世界最受歡迎。在傳統(tǒng)的天然氣直接還原方法中,氫氣被用作還原材料和燃料。如果原料/燃料使用的氫和電力以無(wú)碳排放的方式進(jìn)行生產(chǎn)和供應(yīng),鋼鐵生產(chǎn)中的CO2理論排放量就可能會(huì)為零。雖然該工藝尚未達(dá)到商業(yè)規(guī)模,但到2050年,價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力有望達(dá)到傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐工藝的水平。
在應(yīng)對(duì)碳中和的大趨勢(shì)上,日本鐵鋼聯(lián)盟自主提出了自救對(duì)策,同時(shí)向日本政府提出了財(cái)政支持要求,以期實(shí)現(xiàn)煉鐵新技術(shù)開(kāi)發(fā)成果的應(yīng)用和推廣(見(jiàn)表2)[8]。
表2 日本鋼鐵產(chǎn)業(yè)2050年碳中和基本方針
日本鋼鐵業(yè)界的環(huán)保工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)大致分為COURSE50 及FERRO 焦炭。其中,F(xiàn)ERRO 焦炭是一種金屬鐵塊,含有較高比率的低品位煤炭或鐵礦石,在金屬鐵的催化作用下,可以提升高爐內(nèi)的還原效率,同時(shí)減少高爐焦炭投料。
作為日本的國(guó)策項(xiàng)目,COURSE50(CO2Ultimate Reduction System for Cool Earth 50 Project)項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)氫還原煉鐵技術(shù),可以說(shuō)是利用現(xiàn)有的高爐工藝進(jìn)行氫還原。該項(xiàng)目從2008年開(kāi)始推行[9],是由NEDO(新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))主管的國(guó)策項(xiàng)目。最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)氫還原鐵礦石,從高爐中分離、回收CO2的技術(shù)(見(jiàn)圖6)。從2013 年開(kāi)始,在全球首次啟動(dòng)了氫還原鋼鐵長(zhǎng)流程(BF-BOF)碳排放降低10%的實(shí)驗(yàn)。另外,通過(guò)開(kāi)發(fā)CCS(碳收集及儲(chǔ)存)的CO2回收技術(shù),目標(biāo)是減少20%的CO2排放。日本目前沒(méi)有直接還原鐵的工廠, 計(jì)劃創(chuàng)建的首座工廠目標(biāo)是在2030 年商用化,總費(fèi)用預(yù)計(jì)為381 億日元,全部由國(guó)庫(kù)支持。此后,日本又提出了利用外部氫氣的Super COURSE50,實(shí)際高爐試驗(yàn)將于2023 年以后實(shí)施[10]。日本三大高爐鋼鐵企業(yè)計(jì)劃通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、官合作,在世界上最早實(shí)現(xiàn)氫還原煉鐵技術(shù)的商用化,還計(jì)劃推進(jìn)氫氣還原爐的開(kāi)發(fā),目標(biāo)是在2050年以后不再使用高爐。
圖6 日本鋼鐵領(lǐng)域COURSE50工藝概況
另外,日本政府還規(guī)定,對(duì)于煉鐵工序擴(kuò)大氫利用的技術(shù)開(kāi)發(fā),國(guó)家經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)額上限為1 935 億日元。在氫還原煉鐵工藝方面,致力于開(kāi)發(fā)高爐氫直接還原鐵礦石技術(shù)和CO2還原劑技術(shù),與此同時(shí),還開(kāi)發(fā)電弧爐雜質(zhì)去除技術(shù)。在日本,小型電弧爐也可以生產(chǎn)部分汽車用高級(jí)鋼種,今后將通過(guò)電弧爐的大型化,持續(xù)擴(kuò)大高級(jí)鋼種的產(chǎn)量。
不過(guò),日本綠色鋼材制造工藝的開(kāi)發(fā)在技術(shù)上仍不成熟。在脫碳工藝的研發(fā)中還存在相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。因此,日本正在通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、官聯(lián)合發(fā)力,共同應(yīng)對(duì)鋼鐵碳中和的相關(guān)課題(見(jiàn)表3和圖7)。
表3 日本鋼鐵企業(yè)的碳中和戰(zhàn)略
圖7 日本鋼鐵新技術(shù)開(kāi)發(fā)相關(guān)路線圖
從日韓代表性鋼鐵企業(yè)來(lái)看,韓國(guó)POSCO 控股集團(tuán)提出了中短期目標(biāo)和階段性實(shí)施方案,目標(biāo)是在2030 年和2040 年分別減少CO2排放20%和50%。第一階段是提高能源效率,用經(jīng)濟(jì)低碳原料進(jìn)行替代,第二階段是提高利用廢鋼(鋼鐵副產(chǎn)品)和應(yīng)用CCUS,第三階段是開(kāi)發(fā)以現(xiàn)有直接煉鐵工藝(FINEX)為基礎(chǔ)的氫還原煉鐵技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)以氫還原和再生能源為基礎(chǔ)的碳中和煉鐵工藝。日本制鐵的目標(biāo)是到2030 年之前,在現(xiàn)有的高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝下完成COURSE50技術(shù)開(kāi)發(fā),通過(guò)噴吹氫氣減少CO2排放10%,通過(guò)CCS 減少CO2排放20%。另外,日本到2050 年之前,綜合推進(jìn)以下三種方式的技術(shù)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),即在高爐-轉(zhuǎn)爐工藝?yán)肧uper COURSE50 和CCUS 實(shí)現(xiàn)零碳排放,最終廢除高爐,同時(shí)考慮100%氫還原爐方式,著手開(kāi)發(fā)大型電弧爐,推進(jìn)400 t 級(jí)電弧爐生產(chǎn)高端鋼種。從氫還原煉鐵技術(shù)來(lái)看,POSCO 將在2040 年之前從藍(lán)氫階段利用CCUS,但到了2050年,利用氫流動(dòng)還原爐和大型電弧爐完全替代高爐,從理論上來(lái)看,CCUS 只是一種過(guò)渡技術(shù)。與此相比,日本制鐵計(jì)劃到2050 年之前利用長(zhǎng)期積累的CCUS 技術(shù),同時(shí)繼續(xù)保留高爐工藝,這一點(diǎn)存在明顯差異(見(jiàn)表4)[11]。
表4 POSCO與日本制鐵的碳中和戰(zhàn)略比較
另外,韓國(guó)根據(jù)2050 愿景計(jì)劃,為了減少碳排放,POSCO在2021年底關(guān)閉了100萬(wàn)t的浦項(xiàng)制鐵所1 號(hào)高爐,高爐產(chǎn)量減少了10%。為彌補(bǔ)高爐減產(chǎn)的影響,計(jì)劃2025 年對(duì)光陽(yáng)制鐵所1 座電弧爐,2027 年對(duì)浦項(xiàng)制鐵所2 座電弧爐進(jìn)行投資,將粗鋼產(chǎn)能擴(kuò)大至250 萬(wàn)t。另外,轉(zhuǎn)爐廢鋼比將從10%提高到30%[12]。日本制鐵計(jì)劃在2022 年上半年啟動(dòng)新電弧爐,2023年也將啟動(dòng)150 t級(jí)的電弧爐[13]。
在應(yīng)對(duì)碳中和趨勢(shì),同時(shí)不損害本國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,韓國(guó)政府需要制定多種對(duì)策。隨著氫還原煉鐵技術(shù)開(kāi)發(fā)及設(shè)備的投資擴(kuò)大,新再生能源使用增加導(dǎo)致電力費(fèi)用攀升、應(yīng)對(duì)各國(guó)碳排放限制等挑戰(zhàn)性課題層出不窮。對(duì)于鋼鐵產(chǎn)業(yè)而言,很難開(kāi)發(fā)碳和煉鐵新技術(shù),因此,很難找到一勞永逸的對(duì)策。因此,日本等發(fā)達(dá)國(guó)家正在通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、官聯(lián)手,尋求各種支持政策。
1)提升競(jìng)爭(zhēng)力
韓國(guó)政府迫切需要通過(guò)產(chǎn)業(yè)政策和通商政策的聯(lián)系,制定綜合性的鋼鐵產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提升方案。在產(chǎn)業(yè)政策方面,應(yīng)該對(duì)氫還原煉鐵技術(shù)和商用化技術(shù)開(kāi)發(fā)提供資金支持、稅收支持,以及經(jīng)濟(jì)性的氫氣供應(yīng)等基礎(chǔ)設(shè)施。另外,有必要同時(shí)采取積極的通商政策,消除氫氣、鐵礦石等供應(yīng)鏈問(wèn)題,避免海外市場(chǎng)對(duì)韓國(guó)企業(yè)采取不利或差別化措施。
2)注重新技術(shù)開(kāi)發(fā)
在鋼鐵碳中和路線圖(各期限工藝表)的政治化過(guò)程中,應(yīng)關(guān)注全球鋼鐵企業(yè)的動(dòng)向和本國(guó)企業(yè)的新技術(shù)開(kāi)發(fā)情況, 產(chǎn)、學(xué)、官緊密討論,靈活調(diào)整日程。 日本鋼鐵企業(yè)很早開(kāi)始研究氫還原煉鐵,最初的目標(biāo)是2100 年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化,不過(guò),根據(jù)全球碳中和動(dòng)向和日本政府2050 年碳中和方針,已經(jīng)縮短了目標(biāo)時(shí)間。為此,日本政府官方(NEDO 等)正在構(gòu)建包括鋼鐵企業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)、學(xué)、官合作體系,并擴(kuò)大各種支持政策。韓國(guó)政府今后也有必要進(jìn)一步擴(kuò)大接受鋼鐵企業(yè)建議(見(jiàn)表5),通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、官合作和基礎(chǔ)設(shè)施整頓提供政策支持,均衡考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,持續(xù)探索的碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方案。
表5 韓國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)為實(shí)現(xiàn)碳中和對(duì)政府提議事項(xiàng)
3)研究核能利用
生產(chǎn)廉價(jià)的綠色氫氣是鋼鐵碳中和的關(guān)鍵,因此,有必要積極研究核電站的利用。 目前新一代氫氣還原煉鐵,必須以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性氫氣及電力為前提。由于僅靠新再生能源提供的電力在經(jīng)濟(jì)方面存在局限性,近來(lái),對(duì)核能發(fā)電持否定態(tài)度的歐盟有意將核電站納入“歐盟可持續(xù)活動(dòng)分類表”。另外,日本在歷經(jīng)福島核電站事故后,也有意擴(kuò)大核電站運(yùn)轉(zhuǎn)。值得關(guān)注的是,2021 年5 月韓國(guó)也曾在韓美首腦會(huì)談上就兩國(guó)間小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)的開(kāi)發(fā)及出口等達(dá)成了相互合作協(xié)議。不過(guò),雖然2021 年12 月韓國(guó)環(huán)境部提出了“韓國(guó)型綠色分類體系”,但在綠色經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中,核電站暫時(shí)被排除在對(duì)象之外。
4)加強(qiáng)合作交流
韓國(guó)鋼鐵企業(yè)方面需要加強(qiáng)與日本鋼鐵企業(yè)的合作,爭(zhēng)取加入國(guó)際財(cái)團(tuán),開(kāi)發(fā)新一代鋼鐵生產(chǎn)工藝技術(shù)。如前所述,在COP26等國(guó)際峰會(huì)上也有必要積極調(diào)整與多種國(guó)際倡議的聯(lián)系,如鋼鐵技術(shù)創(chuàng)新、采購(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)投資、橫向?qū)Σ叩?,致力于促進(jìn)國(guó)際合作。特別是有必要進(jìn)一步擴(kuò)大日韓協(xié)會(huì)/企業(yè)間的交流合作,如碳中和相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、政策手段信息、人員交流等。